Горение твёрдых веществ и материалов

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение…………..………………………..……………………….…..…...… 3
1. Воспламенение твердых веществ и материалов..…………...…….… 4
2. Распространение пламени по поверхности твердых
веществ и материалов…………………………………………...……………. 6
3. Выгорания твердых веществ и материалов……………...………… 11
4. Горение металлов…………………………………………….……… 13
Заключение…………..……………………….………………………........…. 18
Список литературы…………………………….……………..…………..….. 19

Введение
Горение — сложный физико-химический процесс превращения компонентов горючей смеси в продукты сгорания с выделением теплового излучения, света и лучистой энергии. Приближенно можно описать природу горения как бурно идущее окисление.
Дозвуковое горение (дефлаграция) в отличие от взрыва и детонации протекает с низкими скоростями и не связано с образованием ударной волны. К дозвуковому горению относят нормальное ламинарное и турбулентное распространения пламени, к сверхзвуковому — детонацию.
Горение подразделяется на тепловое и цепное. В основе теплового горения лежит химическая реакция, способная протекать с прогрессирующим самоускорением вследствие накопления выделяющегося тепла. Цепное горение встречается в случаях некоторых газофазных реакций при низких давлениях.
Условия термического самоускорения могут быть обеспечены для всех реакций с достаточно большими тепловыми эффектами и энергиями активации.
Горение может начаться самопроизвольно в результате самовоспламенения либо быть инициированным зажиганием. При фиксированных внешних условиях непрерывное горение может протекать в стационарном режиме, когда основные характеристики процесса — скорость реакции, мощность тепловыделения, температура и состав продуктов — не изменяются во времени, либо в периодическом режиме, когда эти характеристики колеблются около своих средних значений. Вследствие сильной нелинейной зависимости скорости реакции от температуры, горение отличается высокой чувствительностью к внешним условиям. Это же свойство горения обусловливает существование нескольких стационарных режимов при одних и тех же условиях (гистерезисный эффект).
1. Воспламенение твердых веществ и материалов
При контакте твердых горючих веществ с нагретым до высокой температуры источником зажигания возникает теплообмен. В реальных условиях могут иметь место все три вида теплообмена: конвекция, излучение, кондукция. При этом, как правило, один из них является доминирующим. При воспламенении, например, от открытого пламени (горящая спичка, газовая горелка и т. п.) превалирует теплообмен конвекцией, нагретая спираль, не имеющая непосредственного контакта с горючим материалом, воспламеняет последний за счет лучистого тепла. Воспламенение от тлеющих частиц (искр) протекает, главным образом, за счет теплообмена теплопроводностью (кондукция).
Механизм воспламенения твердых материалов во многом сходен с воспламенением жидкости, однако имеет и ряд существенных отличительных особенностей. При воздействии теплового потока от высокотемпературного источника зажигания горючий материал нагревается, затем в некотором интервале температур (для веществ растительного происхождения 50-150°С) из него испаряется влага. После испарения влаги материал вновь нагревается как инертное тело до температуры начала разложения, которая для растительных материалов составляет 2500C. Процесс разложения сопровождается выделением в окружающую атмосферу летучих продуктов. Параллельно с этим протекает смешению летучих с окислителем и образование парогазовоздушной смеси. Если мощность источника зажигания достаточна, то при достижении горючими продуктами разложения концентрации, равной нижнему концентрационному пределу воспламенения, произойдет зажигание парогазовой смеси с появлением пламенного горения.
Если же по каким-либо причинам парогазовая смесь не воспламеняется, твердое тело будет нагреваться с выделением продуктов пиролиза. Если горючее вещество в процессе пиролиза образует углистый остаток (вещества растительного происхождения), то скорость термического распада по мере выхода летучих продуктов будет снижаться. При определенных условиях может возникнуть гетерогенное горение (тление) углистого слоя вследствие его взаимодействия с кислородом окружающей среды и с продуктами разложения твердой фазы.
В свою очередь, при благоприятных условиях, а именно: если концентрация парогазовой смеси будет находиться в области воспламенения, может произойти ее зажигание от раскаленного углистого слоя.
Таким образом, общая продолжительность процесса воспламенения складывается из стадий нагрева влажного материала, сушки, нагрева сухого материала, газификации и стадии нагрева углеродистого остатка в случае появления гетерогенного воспламенения.
Ориентировочные оценки показывают, что для материалов растительного происхождения наиболее продолжительными являются стадии сушки влажного и нагрева сухого материала, которые составляют соответственно 55% и 25% от общей продолжительности процесса воспламенения.
Одним из источников воспламенения, приводящим к возникновению пожара, является лучистый тепловой поток от тех или других высокотемпературных тел. С увеличением интенсивности излучения время воспламенения снижается.
2. Распространение пламени по поверхности твердых веществ и материалов
Количественной характеристикой распространения пламени по поверхности твердых веществ, как и в случае горения жидкостей, является линейная скорость р Uл , представляющая собой путь, пройденный фронтом пламени в единицу времени. Процесс распространения пламени по поверхности твердых веществ протекает за счет передачи части тепла, выделяющегося в зоне пламени, к поверхности горящего материала путем излучения, конвекции и теплопроводности. Прогрев участков поверхности, расположенных перед фронтом пламени, за счет теплоподвода приводит к разложению твердого вещества с образованием летучих продуктов (рис. 1).
Рисунок 1 – Схема распространения пламени по поверхности твердого материала: 1 – зона газификации твердого материала; 2 – зона газообразных продуктов разложения; 3 – продукты горения; 4 – зона диффузионного горения; 5 – зона кинетического пламени (носик); 6 – исходный образец; 7 – зона разложения твердого материала перед фронтом пламени
Выделяющиеся продукты пиролиза смешиваются с воздухом, образуя гомогенную кинетическую систему. При достижении нижнего предела концентрации горючих компонентов смесь воспламеняется от пламени и сгорает в кинетическом режиме. Следовательно, процесс распространения пламени по твердым материалам (как и по жидкостям) характеризуется двумя существенными признаками: 1) скорость перемещения пламени равна скорости образования горючей (выше нижнего концентрационного предела) смеси над поверхностью материала; 2) горение на передней кромке пламени (носике) всегда протекает в кинетическом режиме, т.е. горит предварительно перемешанная смесь горючего и окислителя. На основании этих представлений о механизме распространения пламени по поверхности твердых веществ проведем анализ влияния некоторых условий горения на скорость перемещения пламени.
Влажность материала.
С увеличением влажности горючего материала скорость распространения пламени снижается, поскольку часть тепла теряется на испарение воды. Кроме того, пары воды, являясь флегматизаторами, снижают температуру пламени, понижая его излучательную способность.
Ориентация образца в пространстве.
В отличие от жидкостей поверхность твердых материалов может находиться под различным углом к горизонту (рис. 2).
Рисунок 2 – Зависимость скорости распространения пламени по сосновой хвое в зависимости от угла ее наклона: 1 – при влажности образца до 2%; 2 – при влажности образца 12%
При отрицательных углах наклона (направление движения пламени сверху вниз) скорость распространения пламени почти не изменяется. При увеличении положительного угла наклона (направление движения пламени снизу вверх) свыше 10–15о скорость распространения пламени резко возрастает. Это обусловлено эффектом дополнительного наклона факела пламени к поверхности горючего материала, что объясняется «поджатием» пламени к поверхности конвективными потоками окружающего воздуха.
Скорость и направление воздушных потоков (ветра).
Рисунок 3 – Зависимость скорости распространения пламени по поверхности твердого тела от скорости и направления воздушного потока
При увеличении скорости ветра в направлении распространения пламени скорость распространения пламени вначале возрастает линейно, затем подчиняется степенной и, наконец, экспоненциальной зависимостям. В этом случае механизм влияния ветра аналогичен механизму влияния угла наклона образца. Поток воздуха, направленный против движения пламени, оказывает двоякое влияние на скорость распространения пламени. Вначале с увеличением скорости противотока скорость распространения пламени возрастает. Это обусловлено тем, что поток воздуха интенсифицирует смешение продуктов пиролиза с окислителем, быстрее происходит образование гомогенной горючей смеси, носик пламени приближается к поверхности твердого материала, происходит увеличение интенсивности теплопередачи, которое ускоряет распространение пламени. При дальнейшем увеличении скорости противотока происходит аэродинамическое торможение фронта пламени и охлаждение прогретых участков перед фронтом пламени. В результате скорость распространения пламени начнет снижаться (рис. 3).
Геометрические размеры горючего образца.
Различают термически толстые и термически тонкие образцы. Под термической толщиной понимают толщину прогретого перед фронтом пламени слоя твердого материала. Если геометрическая толщина превышает термическую (рис. 4, а), то такой образец называется термически толстым; если наблюдается обратное соотношение (рис. 4, б) – термически тонким. Зависимость скорости распространения пламени по поверхности твердого материала от его геометрических размеров приведена на рис. 5.18.
Из рис. 5 следует, что с увеличением толщины образца скорость распространения сначала снижается, а затем становится постоянной. При увеличении толщины в пределах термически тонких образцов снижение скорости распространения пламени происходит из-за увеличения теплопотерь, связанных с прогревом материала вглубь. Для термически толстых образцов распределение температуры по глубине материала перед фронтом пламени будет неизменным и поэтому скорость горения остается постоянной.
Рисунок 4 – Поле температур при распространении пламени по твердым материалам: а – термически толстый образец; б – термически тонкий образец; δф, δт – соответственно, геометрическая и термическая толщины образцов; Tо, Tп – соответственно, начальная температура и температура поверхности материала
Рисунок 5 – Зависимость скорости распространения пламени по поверхности твердого материала от его геометрических размеров
3. Выгорания твердых веществ и материалов
Как и в случае жидкостей, под влиянием тепла, поступающего от пламени к поверхности твердого материала, происходит его термическое превращение в газообразные продукты, которые увлекаются в зону пламени, смешиваются там с воздухом и сгорают в гомогенном диффузионном режиме. С этих позиций твердый материал можно рассматривать как газовую горелку, поставляющую в зону пламени горючий газ, количество и состав которого определяются условиями теплообмена с зоной пламени, химическим составом и физическим строением твердого горючего материала.
Удельная массовая скорость выгорания.
фактически является скоростью термического разложения твердого вещества с единицы поверхности. Значительный интерес представляет собой выгорание материалов растительного происхождения и, в частности, древесины. При горении древесины примерно 75% ее разлагается на газообразные продукты и 25% остается в виде твердого пористого углистого остатка. По глубине горящей древесины можно выделить четыре зоны: 1 – древесный уголь, состоящий примерно на 95% из углерода; 2 – древесина с различной степенью термического разложения (пиролиза); 3 – непиролизованная сухая древесина; 4 – исходная древесина.
В табл. 1 приведены характерные температуры термического превращения древесины при горении. Образующийся на поверхности горения углистый слой, нагреваясь, поглощает часть теплоты от зоны пламени и фактически является теплоизолирующим материалом, замедляющим прогрев по глубине свежих слоев древесины. В результате скорость газификации, а значит и скорость выгорания древесины в процессе выгорания постепенно снижаются. Уменьшается и высота пламени. При глубине переугливания древесины в 15÷20 мм пламя дробится на отдельные очаги и открывается доступ кислорода воздуха к нагретой до температуры 700 оС поверхности угля. Начинается гетерогенный режим горения древесины по реакции:
C + O2 →CO2 + 33·103 кДж/кг;
С + 0,5O2 → CO + 9·103 кДж/кг.
При гетерогенном режиме горения в зоне химической реакции горючее (углерод) находится в твердом состоянии, а окислитель (кислород) – в газообразном. Химические реакции протекают на поверхности раздела фаз. В результате гетерогенного горения температура углистого слоя возрастает до 1000 С.
4. Горение металлов
По характеру горения металлов их делят на две группы: летучие и нелетучие. Летучие металлы обладают относительно низкими температурами фазового перехода — температура плавления менее 1000 К, температура кипения не превышает 1500 К. К этой группе относятся щелочные металлы (литии, натрий, калий и др.) и щелочноземельные (магний, кальций). Температуры фазового перехода нелетучих металлов значительно выше. Температура плавления, как правило, выше 1000 К. а температура кипения — больше 2500 К (табл. 2).
Механизм горения металлов во многом определяется состоянием их окисла. Температура плавления летучих металлов значительно ниже температуры плавления их окислов. При этом последние представляют собой достаточно пористые образования.
При поднесении источника зажигания к поверхности металла происходит его испарение и окисление. При достижении концентрации паров, равной нижнему концентрационному пределу, происходит их воспламенение. Зона диффузионного горения устанавливается у поверхности, большая доля тепла перелается металлу, и он нагревается до температуры кипения. Образующиеся пары, свободно диффундируя через пористую окисную пленку, поступают в зону горения. Кипение металла вызывает периодическое разрушение окисной пленки, что интенсифицирует горение. Продукты горения (окислы металлов) диффундируют не только к поверхности металла, способствуя образованию корки окисла, но и в окружающее пространство, где, конденсируясь, образуют твердые частички в виде белого дыма. Образование белого плотного дыма является визуальным признаком горения летучих металлов.
Таблица 2 – Температура плавления металлов
У нелетучих металлов, обладающих высокими температурами фазового перехода, при горении на поверхности образуется весьма плотная окисная пленка, которая хорошо сцепляется с поверхностью металла. В результате этого скорость диффузии паров металла через пленку резко снижается и крупные частицы, например, алюминия и бериллия, гореть не способны. Как правило, пожары таких металлов имеют место в том случае, когда они находятся в виде стружки, порошков и аэрозолей. Их горение происходит без образования плотного дыма. Образование плотной окисной пленки на поверхности металла приводит к взрыву частицы. Это явление особенно часто наблюдается при движении частицы в высокотемпературной окислительной среде, связывают с накоплением паров металлов под окисной пленкой с последующим внезапным ее разрывом. Это, естественно, приводит к резкой интенсификации горения.
Основными параметрами их горения являются время воспламенения и сгорания. Из теории диффузионного горения следует, что время сгорания частицы металла tг пропорционально квадрату ее диаметра do. Экспериментальные данные показывают, что фактическая зависимость несколько отличается от теоретической. Так, для алюминия tг~do1,5÷1,8, магния tг ~do2,6, а для титана tг ~do1,59.
Повышение концентрации кислорода в атмосфере интенсифицирует горение металла. Частички алюминия диаметром (53 ÷ 66) 10-3мм в атмосфере, содержащей 23% кислорода, сгорают за 12,7·10-3с, а при повышении концентрации окислителя до 60% — за 4,5·10-3с.
Однако для пожарно-технических расчетов большой интерес представляет не время сгорания частицы металла, а скорость распространения пламени по потоку взвеси частиц металла в окислителе. В табл.3 приведены экспериментальные данные по скорости распространения пламени и массовой скорости выгорания взвеси частиц диаметрами менее 10-2мм и 3·10-2мм алюминия в воздухе при различном коэффициенте избытка воздуха.
Таблица 3 – Скорость распространения пламени
Анализ данных табл.2 позволяет сделать следующие выводы.
1. С увеличением размера частиц горючего в воздухе скорость распространения пламени уменьшается.
2. При приближении состава горючей смеси (металл—воздух) к стехиометрической (α=1) скорость распространения пламени возрастает.3. Скорость горения взвеси частиц металла в воздухе одного порядка с нормальной скоростью распространения пламени по стехиометрическим смесям предельных углеводородов в воздухе — 0,4 м/с (табл. 3).
Горение металлов возможно не только в окислительной среде, но и в продуктах горения органических веществ. В этом случае горение протекает за счет экзотермической реакции восстановления воды до водорода, а двуокиси углерода до его окисла по реакции:
2Al +3Н20 = Al2O3+ ЗН2 + 1389,4 кДж/моль;
2Al + 3CO2 = Al2O3 + 3СО + 1345,3 кДж/моль.
Заключение
Горение представляет собой химическую реакцию, сопровождающуюся выделением тепла и света. Оно возможно при сочетании следующих трех условий:
- присутствие горючего материала;
- наличие теплоты, достаточной для воспламенения горючего материала и поддержания процесса горения;
- присутствие кислорода (воздуха) в количествах, необходимых для горения.
С началом процесса горения начинается распространение теплоты, которое может происходить теплопроводностью, излучением и конвекцией.
Продолжительность горения при пожаре определяется многими факторами, среди которых наиболее важными являются величина горючей нагрузки, скорость выгорания материалов и условия газообмена. Скорость выгорания зависит от условий, в которых протекает процесс горения. Условия же горения (например, доступ воздуха, температура) на различных участках пожара и даже в одном месте, но в разное время неодинаковы.
После возникновения горения постоянным источником воспламенения является зона горения. Возникновение и продолжение горения возможно при определенном количественном соотношении горючего вещества и кислорода, а также при определенных температурах и запасе тепловой энергии источника воспламенения. Наибольшая скорость стационарного горения наблюдается в чистом кислороде, наименьшая - при содержании в воздухе 14-15% кислорода. При меньшем содержании кислорода в воздухе горение большей части веществ прекращается.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Мегорский Б.В. Методика установления причин пожаров, - М.: Стройиздат, 2016 г. – 315 стр.;
2. Зельдович Я.Б., Математическая теория горения и взрыва. - М.: Наука, 2015 г. – 244 стр.;
3. Вильямс Ф.А., Теория горения. - М.: Наука, 2014 г. – 188 стр.;
4. Расследование пожаров. Учебник. /Под ред. Г.Н. Кириллова, М.А. Галишева, С.А. Кондратьева. - СПб.: СПБ университет ГПС МЧС России, 2017 - 544 стр.
5. Федотов А.Ж. и др. Пожарно-техническая экспертиза, - М., 2014 г. – 542 стр.